CN109992864B - 非常规双重介质储层体积压裂数值模拟及参数优化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种非常规双重介质储层体积压裂数值模拟及参数优化方法，步骤如下：基于双重介质孔隙弹性理论，考虑裂缝间的摩擦效应，发展基于显式时间积分的水力裂缝粘弹塑性损伤模型；采用在计算模型网格内部边界嵌入零厚度裂缝单元的方法模拟水力裂缝遇天然裂缝的随机相交和分岔，建立非常规双重介质储层体积压裂水力裂缝扩展的数学模型；编制非常规储层体积压裂复杂多裂缝破裂与竞争扩展的有限元程序，建立含天然裂缝的套管‑水泥环‑簇内射孔孔眼‑储层基质的水力压裂有限元模型；开展簇内近井地带复杂裂缝起裂与扩展规律研究，开展分段多簇水力主裂缝同步扩展规律研究，优化体积压裂施工工艺。本发明模拟因素全面，优化了油气开采施工方案。
Description
技术领域
本发明涉及石油与天然气开发技术领域，特别是涉及一种非常规双重介质储层体积压裂数值模拟及参数优化方法。
背景技术
长期以来，我国能源供需矛盾突出，石油天然气对外依存度逐年攀升，2017年我国石油对外依存度达到67.4％，天然气达到39.4％，大大超过国际公认的警戒线，严重威胁我国能源安全。据美国能源信息署EIA的全球调查显示，我国页岩气储量为36.1万亿立方米，排名全球第一位。作为一种典型的非常规天然气资源，我国页岩气资源开发潜力巨大。我国页岩气藏普遍埋藏较深，特别是四川盆地的五峰-龙马溪组平均埋深超3000m，部分已达到5000m，呈现地质构造复杂、页理发育、高应力和高强度等典型特征，致使储层施工压力高达80-110MPa。根据涪陵页岩气田近三年在一期浅层(垂深2000-3000m)的开发实践发现：非常规双重介质储层水平井分段多簇射孔体积压裂过程中，储层破裂压力和裂缝延伸压力高，常遇到施工压力超限储层压不开、近井地带裂缝形态复杂而引起砂堵的恶性事故。
近年来，国内外学者针对非常规双重介质储层气体积压裂复杂裂缝的起裂和扩展行为开展了大量的室内实验和数值模拟研究。然而，这些研究均假设多簇射孔压裂后，在每一个射孔簇处形成一条主缝，各射孔簇主裂缝共同扩展，研究重点集中在各簇主裂缝间相互干扰作用下的应力场和裂缝形态，少有学者研究从射孔簇内射孔孔眼起裂的多条裂缝在近井地带的扩张、扩展、相交和分岔行为。同时，非常规双重介质储层通常含有大量的天然裂缝，是典型的双重介质系统，而现有水力裂缝扩展模型中普遍将非常规双重介质储层处理为常规单重介质，甚至是不可渗透介质，这会对压裂过程中主裂缝附近流体压力分布的计算准确度产生影响，进而影响水力裂缝和天然裂缝相遇后以及主裂缝周围尚未连通天然裂缝的起裂与扩展行为。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点，考虑到非常规双重介质储层气体积压裂施工压力高、多数射孔簇内水力裂缝未得到有效扩展的科学难题，考虑非常规双重介质储层应力场、渗流场和裂缝内流场的相互耦合，构建显式时间积分的裂缝粘弹塑性损伤模型及网格单元，开发离散天然裂缝生成程序以及裂缝单元嵌入程序，创建非常规双重介质储层双重介质渗流-应力-损伤耦合的复杂裂缝交错扩展模型，揭示天然裂缝展布及参数、射孔参数、液体类型和排量提升方式等对簇内多条水力裂缝和天然裂缝交错扩展的排斥、吸引、分岔和相交影响机理，找出有利于降低近井摩阻、以及多裂缝扩展并串联形成一条优势主裂缝的簇内射孔方式、射孔参数、施工参数和工程地质条件，进而提供一种非常规双重介质储层体积压裂数值模拟及参数优化方法，它包括以下步骤：
S1.建立水力压裂裂缝扩展的数学模型，分析裂缝延伸的诱导应力场模型，发展基于显式时间积分求解策略的双重介质渗流-应力耦合模型及算法；
S2.针对裂缝的变形，考虑裂缝面之间的摩擦效应，发展显式时间积分的裂缝粘弹塑性损伤模型及网格单元；
S3.在非常规储层基质网格边界嵌入零厚度裂缝单元模拟水力裂缝遇天然裂缝的随机相交和分岔；
S4.编制井眼-射孔孔眼-多裂缝压裂液竞争分配程序，实现多个孔缝(包括射孔孔眼和裂缝)间压裂液的动态分配过程；
S5.建立非常规储层体积压裂复杂多裂缝破裂与竞争扩展的数值模型，并编制复杂多裂缝交错扩展程序；
S6.基于实际储层工程地质条件，建立含天然裂缝的套管-水泥环-簇内射孔孔眼-储层基质的网格模型，研究不同射孔方式(包括螺旋射孔、定向射孔和定面射孔)、射孔参数(包括孔径、穿深、孔密和相位角)、井眼参数(包括井斜角和方位角)和储层岩石力学特征(包括脆性-延性和酸损伤)等条件下，簇内孔眼的破裂位置、天然裂缝的开启、近井地带及射孔孔眼压力分布等，优化射孔方式、射孔参数、压裂初始阶段施工参数(包括排量、液量和泵注程序等)和压裂液物理化学性能；
S7.基于实际储层工程地质条件，针对非常规储层基质-天然裂缝双重介质，耦合天然裂缝和多条水力主裂缝，开展簇内近井地带多条水力主裂缝遇天然裂缝交错延伸的数值模拟，研究近井筒水力裂缝和天然裂缝交错扩展的排斥、吸引、分岔和相交规律，优化射孔方式及参数、液体类型(即压裂液物理化学性质)和排量提升方式等体积压裂施工工艺参数；
S8.基于实际储层工程地质条件，针对非常规储层基质-天然裂缝双重介质，耦合天然裂缝和多条水力主裂缝，开展多簇段的多条水力主裂缝遇天然裂缝交错延伸的数值模拟，研究多条水力主裂缝之间及其和天然裂缝交错扩展的排斥、吸引、分岔和相交规律；计算不同施工参数情况下缝网的演化规律，以形成最大总裂缝面积为目标，对体积压裂施工工艺参数进行优化。
在步骤S2中，显式时间积分的裂缝粘弹塑性损伤模型及网格单元：针对裂缝的变形，考虑裂缝面之间的摩擦效应，发展新的内聚力本构模型描述裂缝单元的变形破坏行为，构建零厚度、考虑裂缝面摩擦效应的裂缝粘弹塑性损伤模型，裂缝的起裂和扩展服从Traction-separation损伤准则；针对裂缝交叉和分岔扩展时有限元计算不易收敛的难题，推导三角形裂缝单元的显式时间积分有限元方程列式，并编制裂缝单元的计算程序；裂缝网格单元结构上、下表面节点具有流体压力(包括基质孔隙压力和裂隙孔隙压力)自由度和位移自由度，用以计算裂缝面的变形以及压裂液的滤失，中间层节点只具有流体压力自由度，用来计算裂缝内流体的流动。
在步骤S3中，水力裂缝遇天然裂缝的相交和分岔扩展数值实现：根据储层天然裂缝分布规律，采用蒙特卡洛方法生成离散天然裂缝网络，建立含离散天然裂缝的有限元几何模型，对整个研究区域进行网格剖分，并开发在所有单元间嵌入流固耦合裂缝单元的程序，在所有网格的边界上插入裂缝单元，用粘弹塑性损伤裂缝单元统一表征水力裂缝和天然裂缝；因此，水力裂缝能够沿着任意单元的边界扩展，从而实现多裂缝的相交和分岔扩展行为，并且无需重新划分网格；表征水力裂缝和天然裂缝的裂缝单元本质上是相同的，只是力学参数和水力参数大小上存在区别，裂缝单元和非常规双重介质储层基质单元之间通过共用节点的方式耦合。
本发明具有以下优点：
1.对整个研究区域进行网格剖分，并开发在所有单元间嵌入流固耦合裂缝单元的程序，在所有网格的边界上插入裂缝单元，用粘弹塑性损伤裂缝单元统一表征水力裂缝和天然裂缝。因此，水力裂缝能够沿着任意单元的边界扩展，从而实现多裂缝的相交和分岔扩展行为，并且无需重新划分网格。
2.考虑射孔簇附近非常规双重介质储层天然裂缝的影响，建立非常规双重介质储层体积压裂射孔簇内孔眼渗流-应力-损伤耦合模型，揭示非常规双重介质储层射孔簇内多裂缝的起裂机理。
3.综合考虑天然裂缝和多条水力主裂缝的相互耦合作用，揭示射孔簇内多条水力主裂缝与天然裂缝的排斥、吸引、分岔和相交的竞争扩展机理。
附图说明
以下附图旨在对本发明做示意性说明和解释，并不限定发明的范围，其中：
图1是本发明所示数值模拟及施工法流程示意图；
图2是裂缝粘弹塑性损伤本构模型示意图；
图3是裂缝网格单元结构示意图；
图4是储层天然裂缝分布，有限元网格划分策略，基质、裂缝单元通过共用节点耦合示意图；
图5是井眼-射孔孔眼-多裂缝压裂液竞争分配模型示意图；
图6是分段多簇压裂复杂裂缝网络计算结果。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的描述，但本发明的保护范围不局限于以下所述。
如图1-6所示，一种非常规双重介质储层体积压裂数值模拟及参数优化方法，包括以下步骤：
S1.建立水力压裂裂缝扩展的数学模型，分析裂缝延伸的诱导应力场模型，发展基于显式时间积分求解策略的双重介质渗流-应力耦合模型及算法，即：根据Biot孔隙弹性理论，推导非常规双重介质储层基质骨架的应力平衡方程、几何方程和Biot有效应力模型，建立非常规双重介质储层的基质骨架变形控制方程。假设非常规双重介质储层孔隙流体流动服从达西定律，结合质量守恒方程，推导出非常规双重介质储层的渗流控制方程。联立基质骨架变形控制方程、渗流控制方程和渗透率应力敏感性张量，结合水平井分段多簇压裂簇内射孔的流体和应力边界条件，建立基于显式时间积分求解策略的非常规双重介质储层流固耦合数学模型，对压裂储层几何模型进行网格离散，并在单元的节点上引入未知位移和压力自由度，推导非常规双重介质储层流固耦合数学模型的有限元方程列式，开发流固耦合单元的显式时间积分计算程序；
S2.针对裂缝的变形，考虑裂缝面之间的摩擦效应，发展显式时间积分的裂缝粘弹塑性损伤模型及网格单元，即：针对裂缝的变形，考虑裂缝面之间的摩擦效应，发展新的内聚力本构模型描述裂缝单元的变形破坏行为，构建零厚度、考虑裂缝面摩擦效应的裂缝粘弹塑性损伤模型，其力学本构模型(如图2所示，图中：
是储层岩石的抗拉强度(剪切强度)，MPa；τf是裂缝面的摩擦应力，MPa；Kn(Kt)是拉伸(剪切)状态的界面硬化系数；
是初始损伤位移，m；是完全破坏位移，m)中裂缝的起裂和扩展服从Traction-separation损伤准则；针对裂缝交叉和分岔扩展时有限元计算不易收敛的难题，推导三角形裂缝单元的显式时间积分有限元方程列式，并编制裂缝单元的计算程序；裂缝网格单元(如图3所示)的上、下表面节点具有流体压力自由度(包括基质孔隙压力及裂隙孔隙压力)和位移自由度，用以计算裂缝面的变形以及压裂液的滤失，中间层节点只具有流体压力自由度，用来计算裂缝内流体的流动；
S3.在非常规储层基质网格边界嵌入零厚度裂缝单元模拟水力裂缝遇天然裂缝的随机相交和分岔，即：根据储层天然裂缝分布规律，采用蒙特卡洛方法生成离散天然裂缝网络，建立含离散天然裂缝的有限元几何模型(如图4a所示)，采用三维四面体网格对整个研究区域进行剖分，并开发在所有单元间嵌入流固耦合裂缝单元的程序，在所有网格的边界上插入裂缝单元(如图4b所示)，用粘弹塑性损伤裂缝单元统一表征水力裂缝和天然裂缝；因此，水力裂缝能够沿着任意单元的边界扩展，从而实现多裂缝的相交和分岔扩展行为，并且无需重新划分网格，表征水力裂缝和天然裂缝的裂缝单元本质上是相同的，只是力学参数和水力参数大小上存在区别；裂缝单元和非常规双重介质储层基质单元之间通过共用节点的方式耦合(如图4c所示，图中：{u,pm,pf}是表面节点；{p}是中间层节点)；
S4.编制井眼-射孔孔眼-多裂缝压裂液竞争分配程序，实现多个孔缝(包括射孔孔眼和裂缝)间压裂液的动态分配过程，即在压裂施工过程中，压裂液从井眼通过射孔孔眼进入多条水力裂缝(如图5所示，图中：Qk是进入第k条裂缝的流量，m3/s；
是第k条裂缝在套管里的流体压力，Pa；
是第k条裂缝套管外面紧邻套管处流体压力，Pa；
是第k条裂缝射孔簇压降，Pa)，进入各射孔孔眼的压裂液流量和各射孔孔眼外裂缝的起裂与扩展状况动态相关；根据基尔霍夫定律，将井筒内流体的流动视为一维流动问题，建立井筒流量和压力平衡方程；根据质量守恒定律，注入裂缝内流体的总质量等于所有裂缝内流体的质量和法向滤失量之和，建立多条裂缝内流体的质量守恒方程；将井筒流量和压力平衡方程、多条裂缝内流体的质量守恒方程联立，建立井眼-射孔孔眼-多裂缝压裂液竞争分配模型，通过开发一维管单元刻画压裂液流经射孔孔眼时的摩阻，将多个一维管单元按照图5的方式在一端通过共用注入点进行组合，实现多个射孔孔眼和裂缝间压裂液的动态分配过程；
S5.建立非常规储层体积压裂复杂多裂缝破裂与竞争扩展的数值模型，并编制复杂多裂缝交错扩展程序，即：对建立的有限元方程组在空间域和时间域上进行离散编程求解，采用显式时间积分方案克服水力裂缝扩展(尤其是复杂裂缝扩展)过程中强烈非线性导致的收敛困难问题：固体变形动力学方程在时间域上采用中心时间差分的积分方案离散，流体动力学方程在时间域上采用向前时间差分的积分方案离散，同时，将人工阻尼技术(可提高时间积分步长)与多核并行计算技术相结合，提高模型的求解效率；
S6.基于实际储层工程地质条件，建立含天然裂缝的套管-水泥环-簇内射孔孔眼-储层基质的网格模型，研究不同射孔方式(包括螺旋射孔、定向射孔和定面射孔)、射孔参数(包括孔径、穿深、孔密和相位角)、井眼参数(包括井斜角和方位角)和储层岩石力学特征(包括脆性-延性和酸损伤)条件下，簇内孔眼的破裂位置、天然裂缝的开启、近井地带及射孔孔眼压力分布等，优化射孔方式、射孔参数、压裂初始阶段施工参数(包括排量、液量和泵注程序)和压裂液物理化学性能等，即：根据非常规双重介质储层水平井分段多簇压裂的工艺特征，基于实际井眼尺寸、单簇射孔的射孔参数、非常规双重介质储层岩石力学参数及其本构模型，考虑套管-水泥环-簇内射孔孔眼的结构特征，建立非常规双重介质储层水平井分段多簇压裂簇内射孔的几何模型，并对该模型进行离散；
S7.在“非常规双重介质储层体积压裂射孔簇内孔眼渗流-应力-损伤耦合的数值模拟模型”的基础上，仅考虑单条水力主裂缝自孔眼扩展的情形，开展水力主裂缝与非常规双重介质储层层理界面/天然裂缝交错延伸的数值模拟，揭示水力裂缝遇非常规双重介质储层层理和高角度天然裂缝时的停止、穿透和分岔等非平面扩展机理，找出形成这三种相交模式的施工工艺参数和工程地质条件；忽略非常规双重介质储层的天然裂缝，仅模拟簇内多条水力主裂缝的排斥、吸引和相交的竞争扩展过程，研究射孔参数、液体类型和排量提升方式等对非平面裂缝形貌、流量分配、缝内压降等参数的影响，揭示射孔参数和压裂施工参数对裂缝非均衡扩展形态，以及多裂缝诱导应力场的相互干扰机理；针对非常规双重介质储层基质-天然裂缝双重介质，耦合非常规双重介质储层天然裂缝和多条水力主裂缝，考虑不同天然裂缝展布及几何参数、射孔方式及参数、液体类型和排量提升方式等条件，开展簇内近井地带多条水力主裂缝遇天然裂缝交错延伸的数值模拟，研究多条水力裂缝在远离井眼过程中水力裂缝与天然裂缝相遇、交错延伸和分离的模式，研究多裂缝相互干扰的非平面裂缝形态、井眼-裂缝内部流量分配、缝内净压力以及缝间应力场的变化规律，优化射孔方式、参数、液体类型和排量提升方式等体积压裂施工工艺参数；
S8.基于实际储层工程地质条件，针对非常规储层基质-天然裂缝双重介质，耦合天然裂缝和多条水力主裂缝，开展多簇段间多条水力主裂缝遇天然裂缝交错延伸的数值模拟，研究射孔簇间多条水力主裂缝和天然裂缝交错扩展的排斥、吸引、分岔和相交规律，优化液体类型和排量提升方式等体积压裂施工工艺参数；即:根据储层的天然裂缝分形描述结果，建立含天然裂缝的套管-水泥环-簇内射孔孔眼-非常规双重介质储层基质的网格模型；利用编制的裂缝单元嵌入程序，在模型所有网格的边界上插入显式时间积分的裂缝单元；通过天然裂缝面上接触力和摩擦力的数学模型，计算天然裂缝面的位移，考虑天然裂缝的剪切滑移和扩张行为，采用最大拉应力准则判断簇内孔眼的破裂，采用塑性损伤模拟裂缝的扩展，建立双重介质体积压裂射孔簇内孔眼渗流-应力-损伤耦合的数值模拟模型，实现簇内多裂缝的起裂与扩展模拟(如图6所示，图中：横轴是缝宽，m；纵轴是累计缝长，m；Ltotal是裂缝总长度，m；LNF是天然裂缝长度，m；LHF是水力裂缝长度，m)；应用所编制的“复杂裂缝交错扩展程序”，研究不同射孔方式、射孔参数、井眼参数和储层岩石力学特征条件下，簇内孔眼的破裂位置、天然裂缝的开启、近井地带及射孔孔眼压力分布等，优化射孔方式、射孔参数、压裂初始阶段施工参数和压裂液物理化学性能等。
Claims (3)
1.一种非常规双重介质储层体积压裂数值模拟及参数优化方法，其特征在于，它包括以下步骤：
S1.建立非常规双重介质储层体积压裂水力压裂裂缝扩展的数学模型，发展基于显式时间积分求解策略的渗流-应力耦合模型及算法；
S2.针对裂缝的变形，考虑裂缝面之间的摩擦效应，发展显式时间积分的裂缝粘弹塑性损伤模型及网格单元；
S3.在非常规储层基质网格边界嵌入零厚度裂缝单元模拟水力裂缝遇天然裂缝的随机相交和分岔；
S4.编制井眼-射孔孔眼-多裂缝压裂液竞争分配程序，实现多个孔缝间压裂液的动态分配过程；
S5.建立非常规储层体积压裂复杂多裂缝破裂与竞争扩展的数值模型，并编制复杂多裂缝交错扩展程序；
S6.基于实际储层工程地质条件，建立含天然裂缝的套管-水泥环-簇内射孔孔眼-储层基质的网格模型，研究不同射孔方式、射孔参数、井眼参数和储层岩石力学特征条件下，簇内孔眼的破裂位置、天然裂缝的开启、近井地带及射孔孔眼压力分布，优化射孔方式、射孔参数、压裂初始阶段施工参数和压裂液物理化学性能；
S7.基于实际储层工程地质条件，针对非常规储层基质-天然裂缝双重介质，耦合天然裂缝和多条水力主裂缝，开展簇内近井地带多条水力主裂缝遇天然裂缝交错延伸的数值模拟，研究射孔簇内多条水力主裂缝和天然裂缝交错扩展的排斥、吸引、分岔和相交规律，优化以下体积压裂施工的工艺参数：射孔方式及参数、液体类型和排量提升方式；
S8.基于实际储层工程地质条件，针对非常规储层基质-天然裂缝双重介质，耦合天然裂缝和多条水力主裂缝，开展多簇段的多条水力主裂缝遇天然裂缝交错延伸的数值模拟，研究多条水力主裂缝之间及其和天然裂缝交错扩展的排斥、吸引、分岔和相交规律，优化体积压裂施工工艺参数。
2.根据权利要求1所述的非常规双重介质储层体积压裂数值模拟及参数优化方法，其特征在于：在步骤S2中，针对裂缝的变形，考虑裂缝面之间的摩擦效应，发展新的内聚力本构模型描述裂缝单元的变形破坏行为，构建零厚度、考虑裂缝面摩擦效应的裂缝粘弹塑性损伤模型，裂缝的起裂和扩展服从Traction-separation损伤准则；针对裂缝交叉和分岔扩展时有限元计算不易收敛的难题，推导三角形裂缝单元的显式时间积分有限元方程列式，并编制裂缝单元的计算程序；裂缝网格单元结构上、下表面节点具有流体压力自由度和位移自由度，用以计算裂缝面的变形以及压裂液的滤失，中间层节点只具有流体压力自由度，用来计算裂缝内流体的流动。
3.根据权利要求1所述的非常规双重介质储层体积压裂数值模拟及参数优化方法，其特征在于：在步骤S3中，根据储层天然裂缝分布规律，采用蒙特卡洛方法生成离散天然裂缝网络，建立含离散天然裂缝的有限元几何模型，对整个研究区域进行网格剖分，并开发在所有单元间嵌入流固耦合裂缝单元的程序，在所有网格的边界上插入裂缝单元，用粘弹塑性损伤裂缝单元统一表征水力裂缝和天然裂缝；因此，水力裂缝能够沿着任意单元的边界扩展，从而实现多裂缝的相交和分岔扩展行为，并且无需重新划分网格，表征水力裂缝和天然裂缝的裂缝单元本质相同，仅在力学参数和水力参数大小上存在区别，裂缝单元和非常规双重介质储层基质单元之间通过共用节点的方式耦合。
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